La nanoteranostica è una specializzazione della nanomedicina che consiste nell'applicazione della nanotecnologia al campo della teranostica. Essa sfrutta le proprietà dei nanosistemi per combinare capacità diagnostiche e terapeutiche in un singolo agente di dimensioni nanometriche. In particolare, lo sviluppo di queste tecnologie ha consentito lo studio di una nuova generazione di nanomateriali per la diagnosi e la cura dei tumori. In ambito diagnostico, le nanotecnologie trovano maggiormente applicazione nell’imaging, in particolare nell’imaging ottico (fluorescenza o non-fluorescenza), nell’imaging nucleare (SPECT e PET) e nell’imaging a risonanza magnetica (MRI). In ambito terapeutico, invece, la loro applicazione principale è il drug delivery. Il crescente interesse nel campo della nanoteranostica è dovuto al fatto che i nanosistemi utilizzati permettono di monitorare la loro distribuzione attraverso studi di imaging in tempo reale e di regolare la loro velocità di infusione, consentendo di avere un effetto mirato solo nel sito su cui devono agire.
Nanostrutture a base metallica
Nanoparticelle di argento Tra le diverse applicazioni terapeutiche delle nanoparticelle di argento (AgNP), la più promettente risulta essere il loro utilizzo come agenti antitumorali. L’incorporazione di tali particelle nei trattamenti contro il cancro ha infatti dato risultati molto positivi. Il loro impatto e la loro interazione all’interno del sistema biologico dipendono da alcune proprietà fisico-chimiche quali dimensione (area superficiale), forma, carica, rivestimento superficiale e tasso di dissoluzione. Ad esempio, la loro carica superficiale gioca un ruolo fondamentale nell’interazione nanoparticella-sistema vivente.
Le nanoparticelle di argento presentano delle proprietà ottiche particolari: la loro interazione con la luce porta ad un’oscillazione collettiva e coerente degli elettroni liberi della banda di conduzione, fenomeno noto come Risonanza Plasmonica di Superficie Localizzata (LSPR). Sfruttando tale meccanismo si possono utilizzare le AgNP sia per scopi diagnostici che terapeutici.
In seguito alla loro oscillazione gli elettroni possono decadere o in modo radiativo o non radiativo. Mediante un decadimento di tipo radiativo degli elettroni si ha una forte emissione di luce che permette applicazioni nel campo dell’imaging biomedico mentre per un decadimento di tipo non radiativo l’energia fotonica viene convertita in energia termica. In quest’ultimo caso il fenomeno può essere sfruttato in ambito terapeutico, ad esempio per indurre un processo apoptotico in cellule neoplastiche.
Il fenomeno della LSPR è strettamente dipendente dalla dimensione e dalla forma delle particelle. Modificando il picco plasmonico in fase di fabbricazione è quindi possibile adattare le particelle al tipo di applicazione desiderata. Tale picco infatti può essere fatto variare in intervalli di 393-738 nm e di 500-1000 nmL. Wei, J. Lu, H. Xu, A. Patel, Z.-S. Chen, e G. Chen, Silver nanoparticles: synthesis, properties, and therapeutic applications, Drug Discovery Today, vol. 20, n. 5, pagg. 595–601, mag. 2015, https://doi.org/10.1016/j.drudis.2014.11.014. consentendo l’utilizzo delle AgNP sia per terapie fototermiche che termolitiche.
Una delle maggiori problematiche riguardante le cellule neoplastiche è la loro capacità di generare nuovi vasi sanguigni a partire da quelli già esistenti (angiogenesi). Diversi studi hanno dimostrato che le AgNP presentano proprietà antiangiogeniche. Esse infatti sono in grado di inibire la creazione di nuovi vasi sanguigni che andranno a nutrire la massa tumorale. Inoltre, la loro tossicità è stata sfruttata per indurre effetti citotossici e indurre il processo apoptotico nella cura della leucemia e del tumore al seno.
Nanoparticelle di oro
Nanoparticelle magnetiche
Le nanoparticelle magnetiche (MNPs) sono una classe di nanomateriali costituita da particelle di elementi magnetici quali ferro, nichel, cobalto e loro composti. Le tipologie maggiormente adottate sono le nanoparticelle di ossidi di ferro (IONs) in quanto risultano maggiormente biocompatibili, essendo generalmente metabolizzate dal fegato.
Grazie alle loro dimensioni presentano peculiari caratteristiche fisiche quali superparamagnetismo, alta coercività, bassa temperatura di Curie e alta suscettività magnetica. Obbedendo alla legge di Coulomb possono essere manipolate dal gradiente di un campo magnetico esterno. Tale opportunità di “controllo remoto”, coniugata alla penetrabilità del corpo umano ai campi magnetici e alla possibilità di trasferire energia dal campo magnetico alle MNPs, viene sfruttata in diverse applicazioni.
Le MNPs sono usate nelle applicazioni di imaging come agenti di contrasto, in particolare nell’MRI. Rispetto ad agenti di contrasto tradizionali per l’MRI, quali il Gadolinio, le MNPs permettono di rilevare efficacemente tumori di piccole dimensioni, risultando interessanti per diagnosi precoci.
La presenza di MNPs, in particolare di IONs, come agenti di imaging nella zona da analizzare comporta una riduzione nel tempo di rilassamento dei nuclei di idrogeno delle molecole d’acqua del tessuto, che viene rilevata dall’MRI, risultando in un contrasto d’immagine negativo. La riduzione del tempo di rilassamento è dovuta alla presenza di un campo dipolare localmente perturbante indotto dalle nanoparticelle, saturate magneticamente. Le MNPs presentano inoltre la capacità di accumularsi nei tessuti per lunghi periodi rispetto ad altri agenti, permettendo di ripetere l’operazione di imaging anche successivamente. Un sistema di MNPs tipico per l’imaging è costituito da un nucleo magnetico, un guscio polimerico per favorire la biocompatibilità e da molecole di superficie (ligandi) che permettono un’imaging mirato verso la zona in analisi, migliorando l’efficienza del sistema.
Recentemente sono in fase di sviluppo sistemi di imaging multimodali nei quali l’MRI è combinato ad altre tecniche quali l’imaging ottico (imaging a doppia risonanza magnetica e ottica), l’MRI/PET, l’MRI/SPECT e l’MRI/PAIPAI: imaging fotoacustico.. Le MNPs usate nelle modalità multimodali sono IONs caricate con sonde ottiche (agenti fluorescenti per l’imaging ottico, radionuclidi per SPECT e PET, agenti esogeni per PAI). Infine, una nuova tecnica (imaging di particelle magnetiche MPI) promettente per l’imaging del cancro e per il monitoraggio dell’ipertermia magnetica, prevede che le IONs siano usate come traccianti per quantificare la loro concentrazione locale, mediante misura della variazione di magnetizzazione in seguito all’applicazione di un campo magnetico variabile, risultando in immagini dall’ottimo contrasto e breve tempo di acquisizione.
Le nanoparticelle magnetiche trovano impiego nel campo del drug delivery per aumentare la selettività dei medicinali chemioterapici, i quali risultano agire anche sulle cellule sane, e ridurne gli effetti collaterali. Per questa applicazione sono generalmente rivestite da un polimero biocompatibile come il PVA o il destrano, ma esistono anche coating inorganici come la silice o l’oro. Questi rivestimenti contemporaneamente proteggono il core magnetico dall’ambiente esterno e permettono di coniugare la nanoparticella al medicinale chemioterapico grazie alla funzionalizzazione superficiale della particella. Una configurazione alternativa prevede un polimero biocompatibile poroso all’interno del quale sono fatte precipitare le MNPs. I complessi, che solitamente sono impiegati sotto forma di ferrofluido, vengono iniettati nel paziente attraverso il sistema circolatorio e sono indirizzati nel sito di rilascio tramite un forte magnete permanente posto al di fuori del corpo, in corrispondenza del target. Una volta che si sono concentrati nella zona di interesse viene attivata la somministrazione tramite un’attività enzimatica o la variazione di un parametro fisiologico come il pH o la temperatura. Dei fattori molto rilevanti in questa applicazione sono ad esempio i parametri idrodinamici del sangue, la profondità dei tessuti e la resistenza del legame carrier-drug.
Le nanoparticelle metalliche sono anche utilizzate per indurre artificialmente i tessuti malati in uno stato di ipertermia. Per ipertermia si intende l’aumento della temperatura del corpo (o di una parte di esso) oltre ai limiti fisiologici. L’obiettivo che deve essere raggiunto per riuscire a distruggere il tumore o i tessuti malati è di mantenere la loro temperatura a 42 °C per almeno 30 minutiQ. A. Pankhurst, J. Connolly, A. Contact, S. K. Jones and J. Dobson, Applications of magnetic nanoparticles in biomedicine: Journal of Physics D, vol 167, 2003, https://doi.org/10.1088/0022-3727/36/13/201.. Generalmente, gli intervalli utilizzabili di frequenze e ampiezze sono rispettivamente di 0,05-1,2 MHz e 0-15 kA m-1.La maggior parte dei metodi per indurre ipertermia risultano poco efficaci a causa del riscaldamento incontrollato dei tessuti sani limitrofi a quelli danneggiati ma, l’impiego di nanoparticelle magnetiche permette invece un’azione molto più selettiva. La sfida di questa tecnologia consiste nel riuscire a raggiungere il sito di interesse con un numero sufficiente di nanoparticelle magnetiche per consentire il loro riscaldamento tramite l’impiego di un campo magnetico alternato clinicamente tollerabile dal corpo umano. L’esposizione a campi magnetici con frequenza e intensità troppo elevate potrebbero infatti portare il paziente a gravi complicazioni. Un fattore che rende notevolmente più difficile la parametrizzazione di questa tecnica è la presenza del flusso sanguigno e della perfusione tissutale: questi meccanismi attivi collaborano al raffreddamento del tessuto e si modificano al progredire del riscaldamento.
Nanostrutture a base polimerica Le nanostrutture a base polimerica offrono la più vasta gamma di compatibilità cellulare, biodegradabilità e rapido assorbimento cellulare. Questo tipo di nanostrutture viene spesso utilizzato come nanocarrier grazie alla facilità con cui è possibile funzionalizzarlo, renderlo selettivo e quindi utilizzarlo in campo medico.
Dendrimeri I dendrimeri sono delle molecole di nano-dimensioni caratterizzati da una struttura globulare con simmetria radiale, a queste è possibile legare covalentemente una vasta gamma di molecole bioattive in modo tale da governare il loro comportamento biologico.
Generalmente i dendrimeri si sintetizzano mediante l’assemblaggio di più dendroni. I dendrimeri sono composti oligomerici o polimerici con un elevato numero di ramificazioni che permettono di aggiungere un diverso quantitativo di gruppi superficiali, in modo da aumentare la loro funzionalità.
La struttura di queste molecole può essere suddivisa in tre parti: Core o centro iniziatore, corrisponde alla parte più interna della molecola. Questa parte è fondamentale in quanto va ad influenzare le dimensioni e la molteplicità del dendrimero; Generazioni, corrisponde alla porzione contenente tutte le ramificazioni. Questa zona conferisce alla molecola determinate proprietà fisiche e chimiche, inoltre va ad influenzare la presenza di volumi interni liberi che potrebbero essere occupati da molecole ospiti; Shell o gusci, costituisce la parte terminale della molecola. Tale superficie ha lo scopo sia di proteggere i gruppi interni, sia di reagire, grazie ai suoi siti attivi, con altri reagenti esterni.
Esistono due approcci stepwise diversi per la sintesi di queste particelle: divergente e convergente; a seconda dell’approccio prescelto vengono variate le proprietà chimiche e fisiche del sistema.